티타늄 열 특성 이해

티타늄 및 그 합금은 고강도, 저중량, 우수한 내식성 및 고온 및 저온에서 일반적으로 안정적인 특성으로 인해 항공 우주, 자동차, 방위, 스포츠 장비 및 의료 분야의 구조용 응용 분야에 널리 사용됩니다. 그러나 티타늄의 고유한 열적 특성으로 인해 특정 용도에는 적합하지 않지만 다른 용도에는 탁월합니다.

티타늄은 극한의 온도에서 대부분의 금속과 약간 다르게 작동하므로 이러한 환경에서 티타늄을 사용하기 전에 티타늄의 열적 특성을 이해하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 티타늄은 고온에서 강하지만 쉽게 열을 발산하지 않아 금속에 열이 축적될 수 있습니다. 그러나 일부 티타늄 합금은 극저온에서도 탁월한 성능을 발휘할 수 있습니다.

이 게시물에서는 고온 및 극저온에서 티타늄의 열적 특성과 일반 응용 분야에서 티타늄의 성능에 어떤 영향을 미치는지 살펴보겠습니다.

고온에서의 티타늄 열적 특성

티타늄은 높은 융점과 높은 사이클 피로 강도로 인해 극한의 온도 환경에서 잘 작동할 수 있습니다. 항공기 엔진, 해군함정, 우주선, 미사일, 발전소용 파이프 등 고온에 노출될 때 발생하는 보호산화작용으로 내식성이 우수하여 선호도가 높습니다. 이 온도 산화는 순수한 산소 분위기에서 낮아집니다.

아래에서는 상업적으로 순수한 티타늄 및 티타늄 합금의 열적 특성에 대해 더 자세히 살펴봅니다.

상업적으로 순수한 티타늄

상업적으로 순수한 티타늄은 강도 대 중량비가 높으며 융점이 약 3,034°F이고 밀도가 약 4.5g/cm3이므로 고온에서 작동하는 부품에 사용하기에 탁월한 선택입니다. 그러나 티타늄이 고온에서 다른 금속과 마찰하는 상황에 노출되면 화재가 발생하여 극심한 손상을 일으킬 수 있으므로 적용이 제한될 수 있습니다.

상업적으로 순수한 티타늄은 부식에 강하여 고온에 노출될 때 보호 산화물 코팅을 형성합니다. 이것은 물과 반응하거나 지구상의 어느 곳에서나 주변 온도에서 반응할 때 긍정적일 수 있습니다. 그러나 티타늄은 또한 고온에서 산소 및 탄소와 반응하므로 티타늄 금속, 결정 또는 분말을 제조할 때 문제가 발생합니다. 티타늄 분말이 산소와 함께 가열되면 3D 프린팅 및 분말 소결 야금과 같은 공정에서 폭발 위험이 될 수 있습니다. 이러한 특성은 파이프에서는 탁월하지만 제트 엔진 및 로켓 모터에는 적합하지 않습니다.

높은 강도와 ​​내크리프성 때문에 상업적으로 순수한 티타늄은 최대 약 572°F의 온도에서 안정적으로 유지될 수 있습니다. 알루미늄과 같은 다른 금속에 비해 티타늄은 열 및 전기 전도성이 낮아 과도한 열 축적을 유발할 수 있습니다.

티타늄은 물에 녹지 않으며, 수소 용해도는 온도가 높아짐에 따라 더욱 감소하여 자기적으로 제한된 핵융합로의 좋은 후보가 됩니다. 티타늄은 정형외과 및 치과 임플란트에도 자주 사용되지만 대부분의 경우 티타늄에 다른 금속을 첨가하여 더 강하고 더 단단한 합금을 만드는 경우가 많습니다.

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티타늄 합금

순수한 티타늄은 고온에서도 인장 강도와 인성을 증가시키는 합금을 만들기 위해 다른 금속과 혼합되는 경우가 많습니다. 이 합금은 알파, 베타 및 알파+베타의 세 가지 범주로 나뉩니다. 각 티타늄 합금 범주에 대한 간략한 설명은 아래에 설명되어 있습니다.

• 알파 합금 알루미늄 및 주석과 같은 금속을 포함하고 최대 1,100°F의 온도에서 탁월한 내크리프성을 갖습니다. 이 때문에 알파 합금은 종종 고온 응용 분야에 선호됩니다. 그러나 열처리로는 증가할 수 없는 중저강도를 가지고 있습니다.
• 베타 합금 , 몰리브덴, 바나듐, 니오븀과 같은 원소를 포함하는 은 경화성이 우수하고 쉽게 열처리하여 강도를 높일 수 있습니다. 이 합금은 파괴 인성이 높고 위조 가능성이 높습니다. 그러나 베타 합금은 알파 합금만큼 높은 온도를 견딜 수 없습니다.
• 알파+베타 합금 또한 열처리가 가능하며 중간에서 높은 강도를 제공합니다. 이 합금은 또한 상업적으로 순수한 티타늄 등급보다 더 높은 온도에서 작동할 수 있으며 최대 500-800°F의 내크리프성을 갖습니다.

더 복잡한 일부 티타늄 합금은 최대 약 932°F의 온도에서 높은 강도를 나타냅니다. 티타늄 합금은 일반적으로 상업적으로 순수한 티타늄보다 열전도율이 낮습니다.

극저온에서의 티타늄 열적 특성

티타늄과 그 합금은 극저온에서도 강도와 연성을 매우 잘 유지할 수 있다는 점에서 다른 금속과 다릅니다. 특히, 알파 합금은 베타 합금에서 나타나는 연성에서 취성으로의 전이가 없기 때문에 극저온 응용 분야에 적합합니다. 베타 합금은 일반적으로 이러한 연성에서 취성으로의 전이로 인해 극저온 환경에서 사용하는 것으로 간주되지 않습니다. 그러나 알파 및 베타 상 결정 구조를 모두 포함하는 알파-베타 합금도 극저온 환경에서 고강도 특성을 갖습니다. 특히 Ti-6Al-4V 알파+베타 합금은 최대 약 800°F의 극저온에서 사용할 수 있으며 많은 기체 및 엔진 부품에 사용됩니다.

현지 티타늄 소스

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